多能量x射線顯微鏡數(shù)據(jù)采集及圖像重建系統(tǒng)及方法
【專利說明】多能量X射線顯微鏡數(shù)據(jù)采集及圖像重建系統(tǒng)及方法
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[0002]相關(guān)申請
[0003]本申請要求申請?zhí)枮镹0.13/768,689，申請日為2013年2月15日的美國專利申請的優(yōu)先權(quán)，該申請以引用形式以其整體并入本文。
【背景技術(shù)】
[0004]高分辨率X射線成像系統(tǒng)，又稱為X射線成像顯微鏡(“XRM” )，為諸多產(chǎn)業(yè)和研宄應(yīng)用，如材料科學(xué)、臨床研宄以及故障分析提供了樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的高分辨率/高倍放大的無損圖像。XRM不需要切割開樣品，就可以顯現(xiàn)樣品內(nèi)的特征。XRM為X射線顯微鏡學(xué)領(lǐng)域的一部分。
[0005]XRM通常用于執(zhí)行樣品的計算機斷層(“CT”)掃描。CT掃描為通過一系列不同角度的投影生成三維斷層體的過程。XRM通常以二維截面圖或三維斷層體數(shù)據(jù)集的“片”表示這些斷層體。利用基于背部投影的軟件重建算法及其他圖像處理技術(shù)，該斷層體由投影數(shù)據(jù)生成，以揭示并分析樣品內(nèi)部的特征。
[0006]操作者選擇掃描參數(shù)，如X射線能量值、曝光時間以及濾光鏡設(shè)置，并指示XRM執(zhí)行CT掃描“運轉(zhuǎn)”。對于每次運轉(zhuǎn)，操作者或自動裝載器將樣品安裝在X射線源和X射線檢測系統(tǒng)之間，并使樣品曝光于X射線的光束中。XRM使樣品在X射線光束中旋轉(zhuǎn)，并且其檢測系統(tǒng)在樣品的每個旋轉(zhuǎn)角度檢測透射過樣品并被樣品調(diào)制的X射線。
[0007]在運轉(zhuǎn)過程中，在X射線到達X射線檢測系統(tǒng)之前，樣品會吸收或散射一些X射線。該X射線檢測系統(tǒng)接收穿過樣品并被樣品空間調(diào)制的X射線衰減光子通量。該檢測系統(tǒng)以像素為單位，創(chuàng)建與該檢測系統(tǒng)產(chǎn)生反應(yīng)的X射線光子的圖像再現(xiàn)。X射線吸收隨樣品密度和厚度的增加而增加，并且對于內(nèi)部具有在元素周期表中原子序數(shù)(“Z”)更高的元素的樣品，通常還會更高。
[0008]操作者使用標準操作程序和最公知的方法(“BKM”)選擇最優(yōu)化“運轉(zhuǎn)”環(huán)境。BKM為幫助操作者確定最優(yōu)化X射線源電壓設(shè)置、光束預(yù)濾器以及與特定樣品相關(guān)的檢測器設(shè)置的工作流程的書面指示。處理后生成的樣品三維圖像再現(xiàn)又被稱為重建斷層體數(shù)據(jù)集。
[0009]操作者通常使用軟件控制操作XRM。對于每一個掃描運轉(zhuǎn)，又稱為單能掃描，操作者都設(shè)置掃描參數(shù)。掃描參數(shù)包括變量，如X射線源電壓設(shè)置、曝光時間以及源濾光鏡設(shè)置。
[0010]XRM的一相關(guān)技術(shù)為X射線熒光(“XRF”)顯微術(shù)。XRF顯微術(shù)使用X射線的方式與XRM不同。操作者使用與XRF相關(guān)的次級X射線能量發(fā)射或熒光，以唯一地識別樣品內(nèi)的每個原子元素(“Z”)。
[0011]在XRM中，用于在樣品中衰減的對比度裝置在感興趣的X射線能量區(qū)域具有兩個主要成分，稱為光電吸收成分以及康普頓散射成分。在光電吸收過程中，X射線被原子的束縛電子完全吸收，并使電子從原子中發(fā)射出去。在康普頓散射過程中，入射X射線損失部分能量，并通過分散電子被重定向。由于照亮的X射線光束的衰減造成的兩成分的影響均促成了 XRM中的圖像。
[0012]光電吸收和康普頓散射過程的相對強度為入射X射線的能量和與該X射線相互作用的原子的原子序數(shù)Z的強函數(shù)。因光電效應(yīng)產(chǎn)生的吸收通常占據(jù)較低的能量并且與X射線能量的四次方成反比，大量衰減。因康譜頓散射效應(yīng)產(chǎn)生的吸收占據(jù)較高的能量，并且X射線能量衰減更慢(與能量的一次方成反比)。
[0013]光電和康普頓散射吸收的臨界點被稱為“拐點”，在該拐點處吸收的衰減從與能量的四次方成反比變化為與能量的一次方成反比。該拐點為原子的原子序數(shù)Z的特征并隨Z增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]樣品X射線吸收的變化為X射線能量與原子序數(shù)的函數(shù)。當包含具有不同原子序數(shù)的物質(zhì)的樣品暴露于不同能量的X射線時，會表現(xiàn)出不同的吸收特征。因此，對樣品進行兩種不同的X射線能量的測量可將樣品的吸收特征或X射線衰減分離為其基本成分。這種類型的測量被稱為“雙能量(DE) ”掃描。
[0015]操作者通常會采用不同的掃描參數(shù)對樣品進行不止一次掃描，從而利用雙能量掃描原則揭示更多關(guān)于樣品的信息。現(xiàn)有XRM及其相關(guān)的成像方法的一個限制在于，在創(chuàng)建該樣品的能量的重建體數(shù)據(jù)集之后，沒有方便的方法去組合和分析數(shù)據(jù)。
[0016]本發(fā)明提供了一種如雙能量的多能量X射線成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及圖像重建系統(tǒng)及方法，用于組合分離的承受多種能量的重建體，并允許操作者利用DE效應(yīng)操作并最優(yōu)化樣品的圖像對比度。操作者使用該系統(tǒng)和方法以實現(xiàn)比現(xiàn)有XRM數(shù)據(jù)采集和圖像重建系統(tǒng)和方法更優(yōu)的圖像質(zhì)量和對比度，并基于樣品成分的原子序數(shù)Z生成對比度。
[0017]使用DE X射線成像系統(tǒng)及其相關(guān)用戶界面應(yīng)用程序，操作者可對樣品中相同的或重疊的興趣體執(zhí)行低能(“LE”)和高能(“HE”)X射線掃描。該系統(tǒng)通過低能投影集創(chuàng)建單獨的低能重建斷層體數(shù)據(jù)集，并通過高能投影集創(chuàng)建單獨的高能斷層體數(shù)據(jù)集。
[0018]該系統(tǒng)隨后執(zhí)行兩個單獨的重建斷層體的配準、配比以及縮放步驟，以調(diào)整低能和高能斷層數(shù)據(jù)集在空間延伸及相對位置上的缺陷。這確保了兩數(shù)據(jù)集的體素的關(guān)聯(lián)。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的思想，操作者然后在斷層體中選擇顯示有操作者感興趣的特征的期望的片。然后，操作者例如利用二維直方圖工具最優(yōu)化該被選擇片的組合(混合)雙能量圖像的圖像對比度。
[0020]該二維直方圖工具繪制低能片像素亮度和高能片像素亮度的比。該二維直方圖中的亮度表示落入對應(yīng)直方圖容器的體素的數(shù)量。用戶可選擇的顏色表可顯示該亮度，用于輔助該直方圖的可見性和理解。
[0021]采用這一直方圖工具，用戶交互式地選擇二維直方圖中的一個點。該被選擇的點被稱為樞軸點。在直方圖工具的輔助下，操作者控制二維直方圖中通過該樞軸點的線的斜率，以確定低能和高能掃描的混合參數(shù)。通常，樞軸點不會影響低能和高能掃描的配比，而只會影響輸出構(gòu)成或合成片的縮放比。2-D直方圖中的線斜率決定了 LE和HE片的混合配比(即用于組合LE和HE數(shù)據(jù)的系數(shù))。樞軸點決定偏移值。即，合成亮度值=x*LE值+ (1-x) *HE值+偏移值。斜率決定X，而樞軸點決定偏移值。
[0022]以這種方式對單一的片進行對比度最優(yōu)化之后，與最優(yōu)化被選擇片的對比度相關(guān)的同樣的混合操作應(yīng)用到低能和高能斷層數(shù)據(jù)集的所有片。通過全部具有最優(yōu)化圖像對比度的LE和HE體數(shù)據(jù)集，創(chuàng)建組合(混合)體數(shù)據(jù)集。
[0023]除了為樣品中的特征最優(yōu)化圖像對比度以外，使用雙能量比為某些樣品執(zhí)行標準吸收技術(shù)可獲得更短的采集和重建總時間。
[0024]總體上，本發(fā)明一方面重點描述了X射線成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和圖像重建的方法。該方法包括利用由采用低能X射線設(shè)置的X射線源生成的X射線光束執(zhí)行樣品的低能掃描，利用由采用高能X射線設(shè)置的X射線源生成的X射線光束執(zhí)行該樣品的高能掃描，生成來自低能掃描的低能重建斷層體數(shù)據(jù)集，生成來自高能掃描的高能重建斷層體數(shù)據(jù)集，配準，并優(yōu)選地配比和縮放該低能和高能斷層數(shù)據(jù)集，呈現(xiàn)來自低能和高能重建斷層體數(shù)據(jù)集的片的視圖，以及組合該低能和高能數(shù)據(jù)。
[0025]在一些實施例中，該數(shù)據(jù)采集和圖像重建方法在不同的實施方式中會分別在基于物鏡的X射線成像系統(tǒng)和基于投影的X射線成像系統(tǒng)中操作。低能和高能數(shù)據(jù)采集會利用不同的X射線檢測器、X射線透鏡、源、目標或源濾光鏡執(zhí)行。
[0026]總體上，本發(fā)明另一方面重點描述了在X射線成像系統(tǒng)中的計算機系統(tǒng)上執(zhí)行的多能量，如雙能量，對比度調(diào)節(jié)工具，包括用于顯示來自低能重建斷層體數(shù)據(jù)集的低能片的低能窗口，用于顯示來自高能重建斷層體數(shù)據(jù)集的高能片的高能窗口，具有二維片選擇交互圖的用于從樣品中選擇片的片選擇窗口，顯示低能體素密度比高能像素亮度值的二維直方圖，位于該二維直方圖工具內(nèi)的樞軸點和線斜率選擇工具，以及顯示根據(jù)該二維直方圖工具中選擇的樞軸點和線斜率通過組合低能重建斷層體數(shù)據(jù)集和高能重建斷層體數(shù)據(jù)集生成的合成(混合)片的結(jié)果窗口。
[0027]在一些實施例中，操作者利用計算機系統(tǒng)上的用戶界面應(yīng)用程序與XRM成像系統(tǒng)及其組件交互，并控制該XRM成像系統(tǒng)及其組件，并且執(zhí)行樣品的數(shù)據(jù)采集、圖像重建，以及對比度最優(yōu)化。通常，計算機系統(tǒng)具有一組應(yīng)用程序，如偵察和掃描數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序，用于選擇掃描參數(shù)并創(chuàng)建樣品的LE和HE斷層體數(shù)據(jù)集，以及DE對比度調(diào)節(jié)工具應(yīng)用程序，用于通過該樣品的已選擇的LE和HE斷層體數(shù)據(jù)集創(chuàng)建DE對比度-最優(yōu)化體數(shù)據(jù)集。該用戶界面應(yīng)用程序顯示在連接到計算機系統(tǒng)的顯示設(shè)備上。
[0028]總體上，本發(fā)明另一方面重點描述了X射線成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和圖像重建方法，該方法包括:將樣品加載到X射線成像系統(tǒng)的樣品支撐物上，通過在來自X射線成像系統(tǒng)的X射線源系統(tǒng)的低能光束中旋轉(zhuǎn)樣品執(zhí)行低能掃描，通過在來自X射線源系統(tǒng)的高能X射線光束中旋轉(zhuǎn)樣品執(zhí)行高能掃描，生成來自計算機系統(tǒng)中的低能掃描的低能重建斷層體數(shù)據(jù)集，生成來自計算機系統(tǒng)中的高能掃描的高能重建斷層體數(shù)據(jù)集，并將來自低能和高能重建斷層體數(shù)據(jù)集的片的視圖呈現(xiàn)在計算機系統(tǒng)的顯示設(shè)備上。
[0029]本發(fā)明另一方面通過與DE對比度-最優(yōu)化體數(shù)據(jù)集相關(guān)的信息提供最優(yōu)化單掃描參數(shù)，以最好地估計DE對比度-最優(yōu)化體數(shù)據(jù)集的操作者選擇的設(shè)置。以這種方式，操作者可以運行隨后的單能掃描，并且與現(xiàn)有單能掃描方法創(chuàng)建的體數(shù)據(jù)集相比，提供了改進的對比度和圖像質(zhì)量。
[0030]本發(fā)明的另一目的在于提供一種DE XRM數(shù)據(jù)采集和重建系統(tǒng)，以及類似于X射線熒光(“XRF”)顯微術(shù)的在給定樣品基本成分的先驗知識下提供該樣品中的元素或混合物間的元素識別的方法。如果操作者具有存在于該樣本的有限范圍的混合物的先驗知識，則直方圖中的X射線像素亮度圖案揭示了元素間的不同，同時也提供了區(qū)分微孔隙和化學(xué)構(gòu)成的能力。為了達到這一目的，使用利用特定K邊吸收特征的專業(yè)化源濾光鏡。
[0031]另一方面通過該直方圖計算樣品內(nèi)元素的摩爾濃度和有效原子序數(shù)。通過這種方式，可通過計算相關(guān)有效原子序數(shù)的原子摩爾濃度估計該樣品的微孔隙。
[0032]本發(fā)明的上述特征及其他特征包括對部分的重建和組合及其他優(yōu)勢，該特征會參考附圖被進一步詳細描述，并且在權(quán)利要求書中指出。本發(fā)明實施的特定方法和設(shè)備應(yīng)該理解為僅作描述目的，不作為本發(fā)明的限制。本發(fā)明的思想和特征可應(yīng)用于多個不同的實施例中，均在本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。
【附圖說明】
[0033]在下述附圖中，同一附圖標記在所有不同視圖中的表示同樣的部件。附圖不必要是成比例的，重點在于描述本發(fā)明的思想。其中:
[0034]圖1為根據(jù)本發(fā)明一實施例的基于透鏡的X射線成像系統(tǒng)的示意圖；
[0035]圖2為根據(jù)本發(fā)明另一實施例的基于投影的X射線成像系統(tǒng)的示意圖；
[0036]圖3A、3B和3C為圖1和圖2的系統(tǒng)中采用的濾光鏡切換器裝置的等比例頂視圖、前視圖和側(cè)視圖，該濾光鏡切換器裝置包括用于提高該濾光輪的穩(wěn)定性和定位精度的精確調(diào)整控制裝置；
[0037]圖4為低原子序數(shù)元素，如鈣(Z = 20)的典型的X射線吸收比X射線能量的曲線，該曲線為采用樣品的雙能量X射線成像以分離出樣品內(nèi)的性質(zhì)提供了理論基礎(chǔ)；
[0038]圖5為雙能量對比度調(diào)節(jié)工具的圖形用戶界面，界面顯示了與